Abstract：
Pig manure and maize straw as raw materials, were composted with two kinds of decomposition maturing agents A and B, respectively. The effects of decomposition maturing agents on composting process were studied by detecting the changes of physicochemical indexes during composting process. The results showed that: after adding the decomposition maturing agent A 20 d, the pig manure could reach basic maturity, and the germination index of seed reached over 50%. In the 35d, the germination rate of seed was close to 85%, and the carbon nitrogen ratio (C/N) was about 16, which was completely maturity, 3~5 d earlier than that of adding the decomposition maturing agent B. The composting process adding decomposition maturing agent A could heat rapidly and keep a long period of high temperature, which can quickly promote the maturity of pig manure.
随着我国畜禽养殖业的迅速发展, 饲养过程中产生的大量畜禽粪便所造成的环境压力也日益增大。由于畜禽粪便中含有各种病源微生物、寄生虫卵以及其他有害物质，若未经处理就随意排放将对环境造成严重危害。因此，资源化利用是防治畜禽粪便污染的核心内容[1-2]。
堆肥是一种通过好氧发酵处理有机废弃物的常用方法，通过堆肥可以达到畜禽粪便无害化和变废为宝的目的，实现养殖业与种植业的良好对接。堆肥的实质是好氧微生物通过自身的代谢作用，将一部分有机物分解转化成简单的小分子物质，使废弃物中的有机物向稳定程度较高的腐殖质方向转化[3-4]。常规堆肥方式处理周期长，不利于有机废弃物的快速资源化利用，因此，通过添加微生物制剂来加速畜禽粪便的腐熟过程，成为提升我国土壤质量的重要方式之一[5-6]。
本试验拟在猪粪堆肥中接种山东农大肥业科技有限公司(以下简称农大肥业)生产的腐熟剂，与山东绿福地科技有限公司(以下简称绿福地)原有的腐熟剂进行对比，通过检测堆肥发酵过程中各项指标的变化，研究农大肥业腐熟剂对猪粪堆肥效果的影响，为猪粪的无害化处理和资源化利用提供技术支持。
1
试验材料和方法
1.1
试验材料
猪粪由绿福地提供，玉米秸粉当地采购；腐熟剂A由农大肥业生产，以枯草芽孢杆菌、白浅灰链霉菌、唐德链霉菌、米曲霉、黑曲霉株为主要菌种，采用蘑菇渣和鸡粪为载体制作，有效活菌数5亿个/g；腐熟剂B为绿福地原有，有效活菌数5亿个/g。堆肥物料的主要成分及碳氮比(C/N)如表 1所示。
表 1
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项目 |
主要成分/%(质量分数) |
C/N |
|
氮 |
磷 |
钾 |
水分 |
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鲜猪粪 |
2.98 |
1.56 |
0.82 |
79 |
14.20 |
|
玉米秸粉 |
0.73 |
0.38 |
1.68 |
11 |
63.70 |
1.2
试验方法
1.2.1
试验设计
按照C/N为34，鲜猪粪与玉米秸粉的质量比为6 :4，含水质量分数调节至60%。试验共设计3个试验组，分别为：T1，使用腐熟剂A，用量为质量分数0.1%；T2，使用腐熟剂B，用量为质量分数0.1%；CK，添加惰性物料。建堆，长×宽×高为3.0 m×2.0 m×(1.2~1.5) m。分别于堆肥的第3、6、9、12、15、18、22、26和31 d进行翻堆。
1.2.2
测定指标及其方法
温度的测定：使用水银温度计，分别在09：00和15：00进行测定。
pH的测定：新鲜堆肥样品用蒸馏水按水土比1 :10(样品10 g，蒸馏水100 mL，下同)配比，在室温、200 r/min条件下水平振荡提取1 h，然后用pH计直接测定。
含水量的测定：将空铝盒置于(105±2) ℃的高温干燥箱内0.5 h，冷却后用分析天平称取并记录空铝盒的质量；每个空铝盒称取样品20 g(精确至±0.01 g)，分别记录铝盒和样品的质量；把铝盒和样品置于105 ℃的干燥箱内6.0 h，取出置于干燥器中冷却30 min，称取铝盒和样品的质量；含水质量分数＝[(烘干前铝盒和样品的总质量-烘干后的总质量)/烘干前总质量]×100%。
发芽率：GI(%)=[(堆肥浸提液的种子发芽率×种子根长)/(蒸馏水的种子发芽率×种子根长)]×100%。
碳氮比：C/N=总有机碳含量/全氮量。
E4/E6的测定：称取10 g新鲜堆肥样品，按水土比1 :10量取100 mL蒸馏水并加入鲜样，在200 r/min转速下于振荡机中摇匀1 h，过滤，滤液在紫外分光光度计中测量于波长465 nm以及665 nm处的吸光度，得到E4和E6，计算E4/E6。
腐殖酸含量的测定：称取粒度小于0.2 mm肥料样品0.2 g(精确至±0.000 1 g)于250 mL锥形瓶中，用100 mL焦磷酸钠碱液从摇匀的肥料中加热抽提腐殖酸，每隔30 min摇动1次，抽提2 h，使鲜样全部沉下；取出锥形瓶冷却至室温，将抽提液及残渣全部转入200 mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀；用中速定性滤纸干过滤，弃去最初10 mL滤液，随后滤出50~100 mL滤液供测定用；准确吸取5 mL滤液于250 mL容量瓶中，用移液管准确加入0.4 mol/L重铬酸钾溶液5 mL和浓硫酸15 mL，于100 ℃水浴中加热氧化30 min，取下冷却至室温，用蒸馏水稀释至100 mL左右，冷却后加3滴邻啡啰啉指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定至砖红色；另外准确吸取2份0.4 mol/L重铬酸钾溶液，每份5 mL，各加5 mL焦磷酸钠抽提液和15 mL浓硫酸，氧化并滴定，以测定空白值；腐殖酸含量按式(1)以及式(2)计算。
式中：V0——滴定空白所消耗的硫酸亚铁铵溶液的体积，mL；
V1——滴定样品腐殖酸所消耗的硫酸亚铁铵溶液的体积，mL；
M——硫酸亚铁铵标准溶液物质的量浓度，mol/L；
0.003——与1.00 mL c(Fe2+)=1.000 mol/L硫酸亚铁铵溶液相当的碳质量，g；
a——试样溶液的总体积，mL；
b——测定时所取试样溶液的体积，mL；
G——样品的质量，g；
C——不同样品纯腐殖酸系数，生物质腐殖酸取0.50；
Mad——样品含水质量分数。
1.3
数据分析
采用Excel 2013和SAS软件对试验数据进行统计分析。
2
结果与分析
2.1
堆肥过程中温度的变化
如图 1所示：建堆完成以后的第2 d，T1温度已升高至60 ℃，比T2温度高出2 ℃，比CK温度高10 ℃，并且每次翻堆前T1的最高温度均分别比T2和CK的最高温度高2~3 ℃和9~10 ℃；高于55 ℃的时间点，T1为37次，分别比T2和CK多11次和30次。由此可见，在整个腐熟过程中，腐熟剂A能够快速升温，促进有机物料的快速腐熟。
图 1
2.2
堆肥过程中pH的变化
如图 2所示：随着堆肥的进行，pH总体呈现先上升后下降，最后稳定在7.5~8.0的趋势；在第0~7 d的过程中，pH快速升高，这可能与微生物生长过程中分解蛋白类有机物产生氨气有关，其中T1变化最快，CK次之，T2略慢；在第7 d时，T1和T2的pH都达到最大值8.4，随后快速下降；在第13 d时，pH开始趋于平缓，但CK的pH在降低以后仍然有继续升高的趋势；在平稳期，T1与T2的pH分别维持在7.6~7.9和7.4~ 7.6，这可能与2种腐熟剂的菌种组成相关，不同菌种的代谢方式存在差异。
图 2
2.3
堆肥过程中水分的变化
如图 3所示：在整个堆肥过程中，水分一直呈现下降的趋势；在堆肥的第0~13 d时，3个条垛的水分差异不大；从第13 d开始，3个条垛的水分差异有所增大，水分损失速率为T1＞T2＞CK，这与3者间的温度差异直接相关，温度高更利于水分的散失。
图 3
2.4
堆肥过程中种子发芽率的变化
由于堆肥最终将作为有机肥或生物有机肥应用于农业生产中，而种子发芽率被认为是最敏感、最有效、最能反映堆肥产品对植物毒性大小的腐熟度评价指标[7]。
如图 4所示：在腐熟过程中，加入腐熟剂的有机物料在第1~7 d的种子发芽率由16%降至4%~5%，低于初始值；随着腐熟的进行，种子发芽率开始逐渐上升；T1在第20 d时达到基本腐熟，而T2在第23 d时才达到基本腐熟；CK的种子发芽率变化不大，一直维持在16%~20%。可见，腐熟剂A可以在20 d内完成基本腐熟，第35 d时已经完全腐熟；同时也说明，使用腐熟剂能很好地解除有机物料的毒性。
图 4
2.5
堆肥过程中C/N的变化
C/N是有机物料总有机碳与总氮的比值，是堆肥的基本特征之一，也是最常用于评价腐熟度的参数之一。在实际堆肥过程中，起始C/N一般为25~30。Garcia C.等研究表明[8]，当堆肥的C/N从初始的30降至20以下时，就可认为已基本腐熟，否则堆肥进入土壤有可能与植物争夺氮源，降低土壤肥力。
如图 5所示：有机物料的初始C/N为34，当堆肥进行到第20 d时，T1和T2的C/N分别降为20和22，而CK为29；在第35 d时，T1和T2的C/N分别降为16和19，而CK为27。由此可见，T1和T2在堆肥过程中随着微生物的生长，C/N降低较快，而CK变化不显著。
图 5
2.6
堆肥过程中E4/E6的变化
堆肥腐殖酸在465 nm和665 nm处有特殊吸收峰，其吸光度的比值(E4/E6)与腐殖酸分子大小或分子间的缩合程度有直接关系。在正常状态下，E4/E6随腐殖酸分子量的增加或缩合程度的增大而减小，因此E4/E6是衡量堆肥腐殖酸作用的重要指标。
如图 6所示：在3组试验中，E4/E6都存在先上升后降低的趋势，但其变化程度为T1＞T2＞CK，其原因可能是T1微生物生命活动较为剧烈；第7~9 d时，大量的大分子物质被降解为小分子物质；后期随着堆肥的进行，小分子物质又被逐渐缩合为腐殖酸。
图 6
2.7
堆肥过程中腐殖酸含量的变化
有机物料中腐殖酸的含量直接影响有机肥或生物有机肥的有机质含量，高品质的有机物中含有大量的活性腐殖酸，能够有效提高有机质的含量，促进土壤团粒结构的形成。
如图 7所示：随着堆肥的进行，有机质的含量呈现先快速增加后略微下降的趋势；第0~15 d时，腐殖酸质量分数由12%升高至36%~37%；第15~ 30 d时，腐殖酸含量基本稳定；第30 d后，腐殖酸含量又呈现略微下降的趋势。
图 7
3
结果与讨论
随着我国养殖业的迅速发展，堆肥处理规模不断扩大，生产腐熟剂的企业也越来越多，但市场上微生物菌剂产品的质量参差不齐。试验通过接种农大肥业生产的腐熟剂处理猪粪堆肥并与猪粪提供厂家原有的腐熟剂进行对比，通过检测堆肥发酵过程中各项理化指标的变化，研究了农大肥业腐熟剂对猪粪堆肥效果的影响。
(1) 在3个试验组中，T1升温迅速，且每次翻堆前的最高温度高于55 ℃的次数均高于T2和CK。随着腐熟的进行，种子发芽率开始逐渐上升，T1的有机物料在第20 d时达到基本腐熟，T2在第23 d时达到基本腐熟，而CK的种子发芽率变化不大，一直维持在16%~20%。可见，在堆肥过程中，农大肥业腐熟剂能够快速升温，促进有机物料的快速腐熟，同时使用腐熟剂也能很好地解除有机物料的毒性。
(2) 在整个堆肥过程中，随着微生物的生长代谢，T1和T2的C/N降低得较快，由34分别降至16和19；而CK只降至27，变化不显著。
(3) 3个试验组的E4/E6变化程度为T1＞T2＞CK。在整个堆肥过程中，由于微生物的生命活动，前期有机物料中的大分子物质被微生物分泌的蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶、半纤维素酶等降解；但随着堆肥的继续进行，小分子类的氨基酸、多肽、单糖等又被逐渐合成为腐殖酸类物质，分子量逐渐增大。这与汪珍川等[9]研究的猪粪添加稻草高温堆腐的E4/E6先上升后平稳的规律有所差异，且本研究后期E4/E6存在下降趋势，其原因有待进一步研究。
(4) 在整个堆肥过程中，腐殖酸含量呈现先快速增加后逐渐稳定，最后略微下降的趋势，与程红胜等[10]研究的菌剂在猪粪腐熟中的腐殖酸变化规律基本一致。总体来看，T1的合成能力高于T2，且两者均高于CK。这表明农大肥业腐熟剂在堆肥过程中微生物代谢活性更强，能够显著提高猪粪的腐殖化程度。
本研究只对温度、水分、pH、发芽率、C/N、E4/E6、腐殖酸含量等的变化规律进行了研究，应用于对特定有机物料堆腐的进程进行表征完全没有问题。当有机物料的组成发生变化时，还需要增加其他的指标进行表征，如铵态氮/硝态氮、腐殖化系数(CHA/CFA)、实际肥效等。在今后的研究中需继续增加测定指标，寻找到具有普遍代表性的指标进行表征，以期为有机物料的腐熟评价提供更全面的评价体系。
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